DE19948446A1 - Progressive Saugventilfeder, insbesondere für Pumpen eines geregelten Bremssystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feder für ein Pumpenventil, insbesondere für das Saugventil einer Pumpe eines geregelten Bremssystems. An derartige Pumpen werden erhebliche Anforderungen gestellt, das sie mit möglichst großem Wirkungsgrad über einen sehr großen Temperaturbereich zuverlässig arbeiten müssen. Untersuchungen haben nun ergeben, daß die Förderleistung einer Pumpe dann besonders groß ist, wenn das Saugventil im Umkehrpunkt des zugeordneten Pumpenkolbens möglichst schnell schließt. Die Schließgeschwindigkeit eines Ventils hängt aber stark von der Steifigkeit der Ventilfeder (1) ab. Dabei wird die Größe der Steifigkeit (S¶1¶, S¶2¶) begrenzt durch die Forderung, daß das Ventil bei dem in der Pumpe gebildeten Saugdruck (Unterdruck) in der Lage sein muß, das Ventil zu öffnen, da andernfalls ein Fördern des Druckmittels nicht möglich ist. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, auch für Ventilfedern mit für die Öffnung geeigneter hoher Steifigkeit zu erreichen, daß diese mit einer vergleichsweise niedrigen Kraft geöffnet werden können. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin in demjenigen Arbeitsbereich der Ventilfedern, in dem jedes Ventil der in Serie hergestellten Ventile sicher geöffnet eine kleinere Federsteifigkeit vorzusehen, während in demjenigen Bereich, in dem die Feder zu schließen beginnt bzw. schließt, die Federn weitgehend eine große Steifigkeit bzw. Federrate besitzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feder (1) für ein Pumpenventil, insbesondere für das Saugventil einer Pumpe eines geregelten Bremssystems. An derartige Pumpen werden erhebliche Anforderungen gestellt, da sie mit möglichst großem Wirkungsgrad über einen sehr großen Temperaturbe­ reich zuverlässig arbeiten müssen. Weiterhin soll der Be­ darf an Leistung zum Betreiben der Pumpe möglichst niedrig und die Förderleistung der Pumpe möglichst hoch sein.

Untersuchungen haben nun ergeben, daß die Förderleistung einer Pumpe dann besonders groß ist, wenn das Saugventil nach dem Passieren des Umkehrpunktes (größere Volumenge­ schwindigkeit) des zugeordneten Pumpenkolbens möglichst schnell schließt, denn ein schnelles Schließen des Stoßven­ tils bringt deutliche Steigerung des Fördervolumens. Die Schließgeschwindigkeit eines Ventils hängt aber stark von der Steifigkeit der Ventilfeder (1) ab. Je straffer die Fe­ der ist, also je höher ihre sogenannte Federrate, desto schneller kann das Ventil schließen und damit bei sinkendem Saugdruck ein Verlust von Druckmittel entgegen der Ansaug­ richtung verhindern. Hieraus ergibt sich, daß unter Be­ rücksichtigung der Schließzeit eine Saugventilfeder mit ho­ her Steifigkeit gewählt werden sollte. Dabei wird die Größe der Steifigkeit begrenzt durch die Forderung, daß das Ven­ til bei dem in der Pumpe gebildeten Saugdruck (Unterdruck) in der Lage sein muß, das Ventil zu öffnen, da andernfalls ein Fördern des Druckmittels nicht möglich ist. Selbst wenn man aber eine Saugfeder mit hinreichend kleiner, für die Öffnung des Ventils noch hinreichenden Steifigkeit wählt, so tritt bei Serienfertigung von Pumpen das Problem auf, daß für manche Pumpen aufgrund der Abmessungen der zusam­ mengefügten Bauteile der für die Feder im Schließzustand des Ventils zur Verfügung stehende Raum in seiner Längs­ richtung zu klein ist, so daß die Feder nur unter beachtli­ cher Vorspannung in das Ventil eingebaut werden kann. Das ergibt sich aus dem Zusammentreffen der zusammengefügten Bauteile, die zwar alle innerhalb ihrer vorgeschriebenen Tolerierung liegen, bei einem ungünstigen Zusammentreffen der Teile aber dennoch einen sehr kurzen Einbauraum erge­ ben. Bei der Serienfertigung von Saugventilen mit Federn mit einer zum schnellen Schließen des Ventils geeigneten Steifigkeit wird es also immer Ventile geben, bei denen die Feder im Schließzustand schon ein ganzes Stück weit zusam­ mengedrückt ist, so daß sie im geschlossenen Zustand unter einer beachtlichen Spannung steht. Das führt dann zu einer vergleichsweise großen Kraft, die von dem Saugdruck der Pumpe überwunden werden muß, damit das Ventil öffnen kann.

Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einem Ventil der sich aus dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ergebenden Gattung und hat sich zur Aufgabe gestellt, auch für Ventil­ federn mit für die Öffnung geeigneter hoher Steifigkeit zu erreichen, daß diese mit einer vergleichsweise niedrigen Kraft geöffnet werden können. Die Lösung der gestellten Aufgabe geschieht mittels der sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ergebenden Merkmale. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin in demjenigen Arbeitsbereich der Ventilfedern, in dem jedes Ventil der in Serie herge­ stellten Ventile sicher öffnet eine kleinere Federsteifig­ keit vorzusehen, während in demjenigen Bereich, in dem die Feder zu schließen beginnt bzw. schließt, die Federn weit­ gehend eine große Steifigkeit bzw. Federrate besitzen. Für das Öffnen ist eine kleine Federrate insoweit wichtig, als die Steuerung des Öffnungsdruckes klein gehalten werden soll. Dabei ist es für die effektive Arbeitsweise der Pumpe weniger entscheidend, daß bei dem endgültigen Schließen der Pumpe die Feder eine (für das Öffnen wichtige) kleinere Fe­ derrate hat, da es für die effektive Arbeitsweise der Pumpe wesentlich auf das schnelle Beschleunigen der Schließele­ mente während des Beginns des Schließvorgangs ankommt. Sind diese Elemente erst mal in Bewegung gesetzt, so bleibt die Schließgeschwindigkeit aufgrund der Trägheit dieser Elemen­ te auch dann noch groß, wenn die in Schließrichtung wirken­ de Federkraft mit einer kleineren Federrate (Steifigkeit) wirkt.

Die oben aufgeführten Überlegungen sind im Prinzip auch analog auf Druckventile für Pumpen anwendbar. Auch hier wird man für ein schnelles Schließen des Druckventils sor­ gen, wenn bei Umkehr der Kolbenbewegung der Pumpendruck im Pumpenraum zu sinken beginnt, so daß das zuvor geförderte Druckmittel möglichst wenig in den Pumpenraum zurückströmen kann.

Besonders wirksam arbeitet die erfindungsgemäße Feder unter Verwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 2, wenn sich die Steifigkeit der Feder bei wachsender auf die Feder ausgeübter Kraft stetig oder progressiv vergrößert. Eine Vereinfachung des Aufbaus der Feder läßt sich dann errei­ chen, wenn sie nur die gemäß Anspruch 3 zu erfüllenden Merkmale aufweist, wobei die erfindungsgemäßen Vorteile aber immer noch weitgehend erreicht werden. Praktisch kann das bedeuten, daß die Feder gemäß Anspruch 7 aus zwei ein­ zelnen Federn unterschiedlicher Steifigkeit bzw. Federrate zusammengesetzt ist. Speziell wird man gemäß Anspruch 4 aber nur eine einzige Feder einsetzen, die bei Aufbau als Spiralfeder aus Abschnitten mit unterschiedlicher Steigung und/oder Durchmesser der Windungen zusammengesetzt ist. Ebenso wie bei zwei hintereinanderliegenden Federn mit un­ terschiedlicher Steifigkeit wird dann erst der Teil der Fe­ der mit geringer Steifigkeit zu einem Block zusammengescho­ ben, wobei die erste Feder ein Stückweit zusammengeschoben wurde (wirksame Federrate i Bereich L < L_K = R = 1/(1/R₁ + 1/R₂)), woraufhin nur noch die zweite Feder aufgrund der weiterhin wachsenden Kraft zusammengepreßt werden kann und damit allein einen Beitrag zur Verkleinerung der Federlänge leisten kann. Diese zweite Feder besitzt gegenüber der er­ sten eine größere Steifigkeit. In der Praxis hat sich eine Ausgestaltung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 5 bewährt. Dabei schließen sich zwei weniger steife Federabschnitte an einen steiferen mittleren Federabschnitt an. Dabei können gemäß den Merkmalen nach Anspruch 6 ein oder mehr jeweils am Ende der Feder liegende Windungen zueinander stets auf Block liegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Feder mit Abschnitten unterschiedlicher Steifigkeit und

Fig. 2 die Steifigkeit dieser Feder in Abhängigkeit von der sich unter Krafteinwirkung ändernden Federlänge.

Fig. 1 zeigt eine Feder 1 mit drei Abschnitten L01, L02 und L03. Dabei sind die Abschnitte L01 und L03 etwa spiegelsym­ metrisch ausgeführt, während der Abschnitt L02 zwischen den Abschnitten L01 und L03 liegt. Die Abschnitte L01 und L03 haben an ihren Enden zwei auf Block zueinander liegende Endwindungen 2 sowie ungefähr zwei weitere Windungen 3 mit vergleichsweise geringer Steigerung. Der mittlere Abschnitt L02 besitzt etwa drei Windungen 4, die eine größere Stei­ gung als die Windungen 3 aufweisen. Dementsprechend haben die Abschnitte 1 und 3 eine geringere Steifigkeit als der Abschnitt L02. Dies ist in Fig. 2 verdeutlicht, wo die Fe­ derlänge der Feder 1 in Abhängigkeit von der auf sie wir­ kenden Kraft dargestellt ist. Die Feder hat die Gesamtlänge L0 für den Fall, daß keine Kraft auf die Feder wirkt. Be­ ginnt eine Kraft auf die Feder zu wirken, so ändert sich die Federlänge ausgehend von der Kraft F0 bis hin zu einer Kraft FK linear in Abhängigkeit von der Kraftänderung. Das heißt, das Verhältnis der Längenänderung zur Kraftänderung ist in dem Bereich von F0 bis FK konstant, unabhängig da­ von, wie weit die Feder schon eingedrückt ist. Man kann dies an der gleichbleibenden Steigung S1 erkennen, die zeigt, daß das Differential zwischen Kraftänderung und Län­ genänderung zwischen F0 und FK gleich bleibt, also der Quo­ tient zwischen Längenänderung und zu dieser Längenänderung führender Kraftänderung. Dabei werden alle Federbereiche L01 bis L03 in ihrer Länge verändert, nur daß die weniger steifen Federbereiche L01 und L03 relativ stärker zusammen­ gedrückt werden als der Abschnitt L02. Ist die Kraft FK er­ reicht, so sind die Windungen 3 der Abschnitte L01 und L03 auf Block zusammengefahren und es können nur noch die Win­ dungen 4 des Abschnittes L02 der noch stärker wirkenden Kraft nachgeben. Hierdurch ergibt sich schlagartig eine größere Steifigkeit der Feder, wie aus der geänderten Stei­ gung S2 zu erkennen ist. Das heißt, es werden für gleiche Längenänderungen nunmehr größere Kräfte benötigt als in dem Bereich zwischen F0 und FK. Die Feder wird somit derart eingesetzt, daß beim Beginn des Schließvorganges des Saug­ ventils nur der Bereich S2 wirksam ist, während beim Öff­ nungsvorgang die Steifigkeit S1 wirksam ist. Anders ausge­ drückt, bei einer verkürzten Einbaulänge infolge ungünsti­ ger Toleranzen wird das Ventil nicht durch die Steifigkeit S2, sondern durch die Steifigkeit S1 vorgespannt.

Claims (7)

1. Feder für ein Ventil, insbesondere Saugventil für eine Pumpe eines geregelten Bremssystems, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge (L) der Feder (1) in Abhängig­ keit von der auf die Feder wirkenden Kraft (F) sich nicht proportional ändert.

2. Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Proportionalitätsfaktor (S1, S2) zwischen der auf die Feder wirkenden Kraft und der Länge der Feder in Abhängigkeit von der wirksamen Kraft (F) stetig än­ dert.

3. Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Länge der Feder innerhalb bestimmter Längen­ bereiche der Feder (L0 bis LK, LK bis L2) proportional mit der auf die Feder wirkenden Kraft (F0 bis FK, FK bis F2) konstant ändert und die Änderungskonstante sich in Abhängigkeit von dem Längenbereich abhängt.

4. Feder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine Spiralfeder ist mit mehreren Abschnitten (L01, L02, L03) mit unterschied­ licher Steigung der Federwicklung.

5. Feder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Abschnitte besitzt (L01, L02, L03), von denen der erste und der dritte Abschnitt (L01, L03) mit einer geringeren Steigung gewickelt sind und der zwischen den beiden Abschnitten befindliche zweite Abschnitt (L02) mit einer größeren Steigung gewickelt ist.

6. Feder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die offenen Endbereiche des ersten und dritten Federabschnitts (L01, L03) jeweils etwa zwei zueinander im unbelasteten Zustand auf Block liegenden Windungen (2) besitzen.

7. Feder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie aus zwei hintereinander angeordneten Einzelfedern mit unterschiedlicher Stei­ figkeit gebildet ist.